[发明专利]一种二维自冷却激光光镊装置和方法

说明书

本发明涉及一种二维自冷却激光光镊装置和方法。将光镊技术结合到光学腔中，利用微球位置与腔损耗的关系，实现捕获微粒的二维高速自冷却。整个冷却过程不涉及外部反馈控制，由环形腔内部自反馈实现。具有结构简单、重复性好和实用性强等优点。此外，本发明不局限于光阱结构和光路结构，适用范围非常广。

技术领域

本发明涉及一种二维自冷却激光光镊装置和方法，属于光学工程领域和精密测量技术领域。

背景技术

光具有动量和能量，光动量的具体表现则为光力。两束相向传播的高斯激光束，可以形成能束缚微米尺度粒子的双光束光学势阱，简称双光束光阱。双光束光阱可以实现光学囚禁、光学牵引、光学拉伸和光致旋转等光学操纵功能，在精密测量领域中具有广泛的应用前景。

光学操纵主要运用了光的力学效应，将微粒束缚在微小的光阱里面，使得微粒的运动受到限制，这就是宏观的“冷却”。一般冷却方法可以分为开环冷却和闭环反馈冷却两种。开环冷却是指直接利用光功率固定条件下的光力的效应束缚微粒。闭环反馈冷却指利用微粒的偏移量作为反馈信号，控制光功率变化实现冷却，闭环反馈冷却能实现比开环冷却更好的冷却效果。传统的闭环反馈冷却主要使用外部电路实现反馈控制，反馈的速度受限于电路性能，难以适应高速冷却的需求。

光纤激光器是以光纤为基质掺入某些激活粒子制成工作物质，或者利用光纤本身的非线性效应制成的一类激光器。与传统激光技术相比，光纤激光器具有较高的泵浦效率，较宽的光谱范围，较高的光束质量等优点。其中最重要的是，光纤激光器可以实现非常高的增益，在损耗腔中有很大的应用价值。

将光镊融合在光腔内，形成损耗腔。当微粒垂直于光轴方向偏离时，将导致腔损耗减小，引起腔内光功率增大，使得微粒快速回到稳定位置，从而实现大刚度高速“自冷却”。将光镊结合到光腔内实现高速自冷却的装置和方法，目前还未见报道。

发明内容

为克服传统反馈冷却技术的不足，本发明提出了一种二维自冷却激光光镊装置和方法，整个冷却过程不涉及外部反馈控制，由环形腔内部自反馈实现，具有冷却速度快、结构简单等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种二维自冷却激光光镊装置，包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光束光阱和微粒，其中掺杂光纤、隔离器、双光束光阱和微粒构成环形腔。所述的泵浦激光用于泵浦掺杂光纤提供增益，所述的波分复用器用于耦合泵浦激光到掺杂光纤光路中。所述的隔离器用于选择特定波长激光单向传输，当掺杂光纤提供的增益大于环形光路总损耗时，两个不同的隔离器连接到掺杂光纤中形成波长不同的顺、逆两个方向激光。

激光作用在微粒上会产生两种力，包括：垂直光轴方向的梯度力F_g和沿着光轴方向的散射力F_s，可以表示为：

， (1)

， (2)

其中a为垂直光轴方向的捕获效率系数，b为沿光轴方向的捕获效率系数，P为捕获光功率，x为微球垂直光轴方向偏移量，y为微球沿捕获光轴方向的偏移量。梯度力F_g使得微粒向光功率大的方向移动，散射力F_s使得微粒沿着光传播方向移动。顺、逆方向高斯激光束对向传输可以形成三维势阱，常被称为双光束光阱，是光镊的一种。双光束光阱可以将微粒束缚于光阱的中心；